CN107124084B - 一种永磁直线同步电机非均匀混合永磁体励磁拓扑结构 - Google Patents

一种永磁直线同步电机非均匀混合永磁体励磁拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种永磁直线同步电机非均匀混合永磁体励磁拓扑结构，包括次级磁轭，次级磁轭上设有永磁体，一个极距内永磁体以N极、S极交替排列；每极下永磁体采用非均匀分块结构，包括设于中间的至少一块径向充磁稀土钕铁硼永磁体和设于两端的径向充磁铁氧体永磁体，相邻径向充磁稀上钕铁硼永磁体之间通过隔磁块隔开。本发明通过永磁体尺寸调节气隙磁密，改善气隙磁密正弦性，进而减小了感应电动势谐波含量与电磁推力的波动。通过钕铁硼材料和铁氧体材料的不同工作点模拟永磁体的不可逆去磁，改善了电机的抗去磁能力；同时提高了永磁体使用率，节约了成本，适用范围广泛，有广阔的应用前景。

Description

一种永磁直线同步电机非均匀混合永磁体励磁拓扑结构
技术领域
本发明属于永磁直线电机技术领域，涉及一种永磁直线同步电机非均匀混合永磁体励磁拓扑结构，具体涉及一种永磁直线同步电机钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体非均匀分块混合的励磁拓扑结构。
背景技术
近年来，由于现代精密制造业、微电子制造业等行业的飞速发展，对现代数控机床提出了“高加速度、高速、高精度”的多重要求。采用永磁同步直线电机(PMLSM)来直接驱动是实现数控机床高加速度、高速、高精度的必要途径之一。永磁同步直线电机将电能直接转换为直线运动，取消了传统的从旋转电机到工作台之间的中间传动环节，进给系统可以直接驱动负载，具有高加速度、高速、高精度的特性。
然而，现有的永磁同步直线电机还存在如下问题：
1、其固有的推力波动削弱方法，在降低推力波动的同时，也减低了电机的功率密度，影响电机系统的性能，削弱了其在工程应用中的优势。
2、与旋转电机相比，永磁同步直线电机更容易产生热量，电机的气隙间隙较小，初级绕组所产生的热量易传导到永磁体上，使得永磁体工作温度比较高。长期运行甚至可能造成电机绝缘的破坏、电机最大额定推力减小、过载能力小等问题。
3、永磁体一般采用整块钕铁硼永磁体材料，在过高温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何减小推力波动对电机运行稳定性的影响，改善气隙磁密正弦特性和抗去磁能力，提高电机的效率和响应速度。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种永磁直线同步电机非均匀混合永磁体励磁拓扑结构，包括次级磁轭，次级磁轭上设有永磁体，一个极距内永磁体以N极、S极交替排列；其特征在于：每极下永磁体采用非均匀分块结构，包括设于中间的至少一块径向充磁稀土钕铁硼永磁体和设于两端的径向充磁铁氧体永磁体，相邻径向充磁稀土钕铁硼永磁体之间通过隔磁块隔开。
优选地，每极下各块永磁体的宽度由中间向两端依次递减。
更优选地，每极下各块永磁体的宽度由中间向两端按等比数列依次递减。
优选地，所述径向充磁铁氧体永磁体的厚度hm的取值范围为0.5Hm＜hm＜1.2Hm，Hm为径向充磁稀土钕铁硼永磁体的厚度。
优选地，对于单边永磁直线同步电机，仅包括一层初级定子，所述次级磁轭上只有对应所述初级定子的一侧设有永磁体。
优选地，对于双边永磁直线同步电机，包括内外两层初级定子，所述次级磁轭上内外两侧均设有永磁体。
优选地，所述永磁体与对应侧的电机初级定子之间设有气隙。
优选地，所述永磁体与用于实现轴向往返运动的外部驱动设备相连。
优选地，所述永磁体的磁场通过电机的初级定子铁心形成回路，同时与电机的初级绕组交链，气隙磁场沿轴向呈正弦分布；永磁体通过采用非均匀分块结构，调节气隙磁密。
由于径向充磁稀土钕铁硼永磁体和径向充磁铁氧体永磁体有不同的去磁曲线，在高温情况下，钕铁硼永磁材料退磁曲线的下半部分会发生弯曲，当负载工作点下降到退磁拐点以下，会发生不可逆去磁现象，而铁氧体永磁体矫顽力较大，耐高温，抗去磁能力较强，将电机运行中钕铁硼永磁体最容易发生去磁现象的端部单元位置换成铁氧体永磁体，不但可降低由于温升引起的不可逆去磁的风险，提高电机的运行范围，而且由于铁氧体永磁体的矫顽力低于稀土钕铁硼永磁体，铁氧体永磁体的轴向宽度加工精度要求较低，方便了机械加工，铁氧体永磁体的成本远低于稀土钕铁硼永磁体，因此该拓扑也降低了永磁体成本。
本发明采用非均匀分块式混合永磁体励磁拓扑结构，在分块基础上将端部小块钕铁硼永磁体更换为低磁能积的铁氧体永磁体结构。相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、采用非均匀分块式混合永磁体结构，通过调节各分块的永磁体的尺寸调节气隙磁密，改善了气隙磁密正弦性，进而减小了感应电动势谐波含量与电磁推力的波动；
2、由钕铁硼材料和铁氧体材料的不同工作点，可以模拟永磁体的不可逆去磁，改善了电机的抗去磁能力；同时，由于铁氧体永磁体的矫顽力低于稀土钕铁硼永磁体，铁氧体永磁体的轴向宽度加工精度要求较低，方便了机械加工，铁氧体永磁体的成本远低于稀土钕铁硼永磁体，因此该拓扑也降低了永磁体成本；
3、提高了永磁体使用率，既可用于发电机，也可用于电动机，既可用于圆筒型电机，也可用于平板型电机，有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1提供的双边圆筒型永磁直线同步电机非均匀混合永磁体励磁拓扑结构截面图；
图2为实施例2提供的单边圆筒型永磁直线同步电机非均匀混合永磁体励磁拓扑结构截面图；
其中：1-内层初级铁心，2-内层电枢绕组，3-次级磁轭，4-外层电枢绕组，5-外层初级铁心，6-隔磁块；7-1-径向充磁稀土钕铁硼永磁体，7-2一径向充磁铁氧体永磁体。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
电机主要包括初级、次级和气隙。
如图1所示，双边圆筒型永磁直线同步电机的初级分为内、外双层结构，由内部定子和外部定子组成。
外部定子包括外层初级铁心5和外层电枢绕组4。外层初级铁心5位于电机的最外侧，为管式结构，外层电枢绕组4紧紧固定在外层初级铁心5内侧。
内部定子包括内层初级铁心1和内层电枢绕组2。内层初级铁心1位于电机的最内侧，亦为管式结构，内层电枢绕组2紧紧固定在内层初级铁心1外侧。
内层电枢绕组2和外层电枢绕组4串联，内、外层初级铁心均由硅钢片组成。
电机次级主要包括次级磁轭3、永磁体、隔磁块6。
永磁体为双层结构，由内侧永磁体和外侧永磁体组成，内、外侧永磁体对称放置在次级磁轭3上的内、外侧。内层电枢绕组2和内侧永磁体之间有5mm左右的气隙，外层电枢绕组4和外侧永磁体之间有5mm左右的气隙。
一个极距内永磁体以N极、S极交替排列，永磁体磁化方向为径向方向。每极下内、外侧永磁体均采用非均匀分块结构，包括设于中间的多块径向充磁稀土钕铁硼永磁体7-1和设于左右两端的径向充磁铁氧体永磁体7-2，相邻径向充磁稀土钕铁硼永磁体7-1之间采用不同宽度的隔磁块6隔开。
每极下各块永磁体的宽度由中间向两端按等比数列依次递减。设最中间的一块径向充磁稀土钕铁硼永磁体7-1的宽度为a0，向两端径向充磁稀土钕铁硼永磁体7-1宽度分别为，径向充磁铁氧体永磁体7-2宽度为an+1，n为正整数，圆筒型永磁直线电机的极距为τP，则a0＝0.389τP+0.3683，ai＝a0*qi，i＝1、2、3、……n+1，q为等比数列递减公比，0＜q＜1。
设由中间向两端隔磁块6的宽度分别为ts1、ts2、……、tsn，ts1＝0.00457τP+0.07697，tsn/ts1＝2.82*n2+8.4*n-2.8(n＞1)。
径向充磁铁氧体永磁体7-2的厚度hm可改变，取值范围为0.5Hm＜hm＜1.2Hm，Hm为径向充磁稀土钕铁硼永磁体7-1的厚度。
磁场通过内层初级铁心1、外层初级铁心5形成回路，同时与内外双层初级绕组交链，气隙磁场沿轴向呈正弦分布。圆环形永磁体放置于内外双层初级绕组(内层电枢绕组2、外层电枢绕组4)之间，并与初级绕组间设有双层气隙。永磁体与外部驱动设备相连，可实现沿轴向的往返运动。
外部驱动设备可以为活塞或海浪等直线运动部件，实现直线往复运动。
当双边圆筒型永磁直线同步电机次级被往复驱动时，初级双层电枢绕组将同时切割磁场，产生感应电动势，当电机尺寸已定时，感应电动势的大小与次级的运动频率成正比，次级运动频率越高，感应电动势越大，当绕组外接电路闭合时，双边圆筒型永磁直线同步电机可对外供电。
由于采用非均匀分块结构的永磁体，可以通过调节各分块的永磁体的尺寸调节气隙磁密，改善气隙磁密正弦性，进而减小感应电动势谐波含量与电磁推力的波动。气隙高次谐波含量比值THD的计算公式如下：
其中，Bj为j次谐波的有效值，j＝1，3，5....m，m为奇数。
传统的整块钕铁硼材料永磁直线电机的THD含量为25.23％左右，而本实施例电机每极下永磁体采用三块径向充磁稀土钕铁硼永磁体和两块径向充磁铁氧体永磁体时，可以将THD最优值减低到19％以下，进而减少了高次谐波含量，改善了气隙正弦特性。而且铁氧体与钕铁硼材料有不同的去磁曲线，在高温情况下，钕铁硼永磁材料退磁曲线的下半部分会发生弯曲，当负载工作点下降到退磁拐点以下，会发生不可逆去磁现象，而铁氧体永磁体矫顽力较大，耐高温，抗去磁能力较强，将电机运行中钕铁硼永磁体最容易发生去磁现象的端部单元位置换成铁氧体永磁体，不但可降低由于温升引起的不可逆去磁的风险，提高电机的运行范围，而且由于铁氧体永磁体的矫顽力低于稀土钕铁硼永磁体，铁氧体永磁体的轴向宽度加工精度要求较低，方便了机械加工，铁氧体永磁体的成本远低于稀土钕铁硼永磁体，因此该拓扑也降低了永磁成本，同时可以改善永磁体的抗去磁能力。
本发明不意限其应用或使用，该结构在多个方面是有利的。具体的，径向充磁铁氧体永磁体的较低能量产出通过较高磁阻转矩补偿，使用相同尺寸的分段磁体与各种复杂形状的永磁体相比，可以较大地降低制造成本。
实施例2
如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于：单边圆筒型永磁直线同步电机仅包括一层铁心及一层电枢绕组，在次级磁轭3上只有对应上述电枢绕组的一侧设置永磁体。
每极下永磁体同样采用实施例1所述的非均匀分块结构。设最中间的两块径向充磁稀土钕铁硼永磁体7-1的宽度相同，为a0；向两端的径向充磁稀土钕铁硼永磁体7-1的宽度按等比数列依次递减，分别为a1、a2、……、an；径向充磁铁氧体永磁体7-2宽度为an+1，n为正整数，圆筒型永磁直线电机的极距为τP，则a0＝0.301τP-0.0657，ai＝a0*qi，i＝1、2、3、……n+1，q为等比数列递减公比，0＜q＜1。
设最中间的一块隔磁块6的宽度为ts1，ts1＝0.00457τP+0.07697，ts2＝0.025τP+0.06135，tsn/ts2＝2.82*n2+8.4*n-2.8(n＞2)。
径向充磁铁氧体永磁体7-2的厚度hm可改变，取值范围为0.5Hm＜hm＜1.2Hm，Hm为径向充磁稀土钕铁硼永磁体7-1的厚度。
永磁体内径和实施例1外侧永磁体半径相同，其它组成和连接方式均与实施例1相同。

Claims (6)

1.一种永磁直线同步电机非均匀混合永磁体励磁拓扑结构，包括次级磁轭（3），次级磁轭（3）上设有永磁体，一个极距内永磁体以N极、S极交替排列；其特征在于：每极下永磁体采用非均匀分块结构，包括设于中间的至少一块径向充磁稀土钕铁硼永磁体（7-1）和设于两端的径向充磁铁氧体永磁体（7-2），相邻径向充磁稀土钕铁硼永磁体（7-1）之间通过隔磁块（6）隔开；
每极下各块永磁体的宽度由中间向两端按等比数列依次递减；
对于双边永磁直线同步电机，包括内外两层初级定子，所述次级磁轭（3）上内外两侧均设有永磁体；设最中间的一块径向充磁稀土钕铁硼永磁体（7-1）的宽度为a0，向两端径向充磁稀土钕铁硼永磁体（7-1）宽度按等比数列依次递减，分别为a1、a2、……、an，径向充磁铁氧体永磁体（7-2）宽度为an+1，n为正整数，电机的极距为τP，则a0=0.389τP+0.3683，ai=a0*qi，i=1、2、3、……n+1，q为等比数列递减公比，0<q<1；设由中间向两端隔磁块（6）的宽度分别为ts1、ts2、……、tsn，ts1=0.00457τP+0.07697，tsn/ ts1=2.82*n2+8.4*n-2.8(n>1)。
2.一种永磁直线同步电机非均匀混合永磁体励磁拓扑结构，包括次级磁轭（3），次级磁轭（3）上设有永磁体，一个极距内永磁体以N极、S极交替排列；其特征在于：每极下永磁体采用非均匀分块结构，包括设于中间的至少一块径向充磁稀土钕铁硼永磁体（7-1）和设于两端的径向充磁铁氧体永磁体（7-2），相邻径向充磁稀土钕铁硼永磁体（7-1）之间通过隔磁块（6）隔开；
每极下各块永磁体的宽度由中间向两端按等比数列依次递减；
对于单边永磁直线同步电机，仅包括一层初级定子，所述次级磁轭（3）上只有对应所述初级定子的一侧设有永磁体；设最中间的两块径向充磁稀土钕铁硼永磁体（7-1）的宽度相同，为a0；向两端的径向充磁稀土钕铁硼永磁体（7-1）的宽度按等比数列依次递减，分别为a1、a2、……、an；径向充磁铁氧体永磁体（7-2）宽度为an+1，n为正整数，电机的极距为τP，则a0=0.301τP-0.0657，ai=a0*qi，i=1、2、3、……n+1，q为等比数列递减公比，0<q<1；设最中间的一块隔磁块（6）的宽度为ts1，向两端隔磁块（6）的宽度分别为ts2、ts3、……、tsn，ts1=0.00457τP+0.07697，ts2=0.025τP+0.06135，tsn/ ts2=2.82*n2+8.4*n-2.8（n>2）。
3.如权利要求1或2所述的一种永磁直线同步电机非均匀混合永磁体励磁拓扑结构，其特征在于：所述径向充磁铁氧体永磁体（7-2）的厚度hm的取值范围为0.5Hm<hm<1.2Hm，Hm为径向充磁稀土钕铁硼永磁体（7-1）的厚度。
4.如权利要求1或2所述的一种永磁直线同步电机非均匀混合永磁体励磁拓扑结构，其特征在于：所述永磁体与对应侧的电机初级定子之间设有气隙。
5.如权利要求1或2所述的一种永磁直线同步电机非均匀混合永磁体励磁拓扑结构，其特征在于：所述永磁体与用于实现轴向往返运动的外部驱动设备相连。
6.如权利要求1或2所述的一种永磁直线同步电机非均匀混合永磁体励磁拓扑结构，其特征在于：所述永磁体的磁场通过电机的初级定子铁心形成回路，同时与电机的初级绕组交链，气隙磁场沿轴向呈正弦分布；永磁体通过采用非均匀分块结构，调节气隙磁密。
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